- •А.Г. Акманов, б.Г. Шакиров оСновы квантовых и оптоэлектронных приборов
- •Введение
- •1 Физические основы лазеров
- •1.1Оптическое излучение
- •1.2Энергетические состояния квантовой системы. Населенности квантовых уровней
- •1.3Элементарные процессы взаимодействия оптического излучения с веществом
- •Спонтанные переходы
- •Вынужденные переходы
- •Спонтанное излучение
- •1.4Основы теории формы и ширины линии излучения
- •Доплеровское уширение
- •1.5Коэффициенты Эйнштейна. Термодинамическое рассмотрение
- •1.6Квантовое усиление в среде
- •1.7Квантовый генератор (лазер)
- •1.8Методы инверсии населенностей квантовых уровней
- •1.9Метод оптической накачки
- •1.10Кинетические уравнения для населенностей уровней
- •1.11 Оптические резонаторы
- •1.11.1 Добротность открытого резонатора
- •1.11.2 Волновая теория открытого резонатора
- •1.11.3 Дифракционная теория
- •1.11.4 Геометрическая теория открытого резонатора
- •Типы оптических резонаторов
- •1.11.5 Селекция типов колебаний
- •2Твердотельные лазеры
- •2.1Рубиновый лазер
- •2.2Неодимовые лазеры
- •2.3Устройство твердотельного лазера
- •2.4Система оптической накачки
- •2.5Электрическая схема питания лазера
- •2.6Режимы работы твердотельных лазеров
- •Режим свободной генерации
- •Режим модулированной добротности
- •Режим синхронизации мод
- •3Газовые лазеры
- •3.1Принцип работы и конструкция газовых лазеров
- •3.2Инверсия населенностей в плазме газового разряда
- •3.3Гелий – неоновый лазер
- •3.4Аргоновый лазер
- •3.5Со2-лазер
- •4Полупроводниковые лазеры
- •4.1Физические основы работы полупроводникового лазера
- •4.1.1Энергетические состояния в полупроводниках
- •4.1.2 Излучательные и безызлучательные переходы.
- •4.1.2Условие усиления электромагнитной волны в полупроводнике
- •4.2Инжекционный полупроводниковый лазер на гомопереходе
- •4.3Инжекционный полупроводниковый лазер на гетеропереходе
- •4.4Характеристики и параметры полупроводниковых лазеров
- •4.5Применения полупроводниковых лазеров
- •5Оптические модуляторы
- •5.1Электрооптические модуляторы
- •Линейный электрооптический эффект в одноосных кристаллах
- •Фазовая и амплитудная модуляция света в одноосных кристаллах. Модуляционная характеристика электрооптического модулятора
- •Режимы работы и конструктивные особенности электрооптических модуляторов
- •5.2Акустооптические модуляторы
- •5.3Магнитооптические модуляторы
- •6Волоконно-оптические усилители
- •6.1Принцип работы волоконно-оптических усилителей
- •6.2Устройство и схемы волоконно-оптических усилителей
- •6.3Характеристики и параметры волоконно-оптических усилителей.
- •7Основы нелинейной оптики
- •7.1Поляризация диэлектрика. Нелинейная поляризация
- •7.2Генерация оптических гармоник, суммарных и разностных частот
- •7.3Фазовый синхронизм в одноосных кристаллах
- •7.4Самофокусировка света
- •7.5Двухфотонное поглощение
- •7.6Вынужденное комбинационное рассеивание света
- •8Элементы оптоэлектронных приборов
- •8.1Физические основы работы полупроводниковых светоизлучающих диодов
- •8.2Внутренний и внешний квантовые выходы
- •8.3Потери излучения в светоизлучающем диоде
- •8.4Излучательная и спектральная характеристики светоизлучающего диода
- •8.5Модуляционная характеристика светоизлучающего диода
- •8.6Параметры и электрические характеристики светоизлучающего диода
- •8.7Конструкции излучающего диода и эффективность связи с волоконным световодом
- •8.8Принцип работы полупроводниковых фотоприемников
- •8.9 Внутренний фотоэффект. Фотопроводимость
- •8.10Скорость оптической генерации носителей заряда
- •8.11Процессы рекомбинации носителей заряда
- •8.12Основное характеристическое соотношение фотопроводимости
- •8.13Процессы релаксации
- •8.14Фоточувствительность. Фототок. Усиление фототока
- •8.15Характеристики фотоприемников
- •8.16Фотодиоды
- •Лавинные фотодиоды
- •Параметры лавинного фотодиода лфд-2-а
- •8.17Фототранзисторы
- •8.18Фототиристоры
- •8.19Фоторезисторы
- •Список литературы
- •Содержание
8Элементы оптоэлектронных приборов
Оптоэлектроника – это область электроники, охватывающая проблему одновременного использования оптических и электрических методов обработки, передачи и хранения информации. Оптоэлектроника отличается от вакуумной и полупроводниковой электроники наличием оптической связи между элементами схемы. Основными элементами оптоэлектроники являются полупроводниковые источники света, оптическая среда и полупроводниковые фотоприемники, на основе которых функционируют оптоэлектронные приборы.
8.1Физические основы работы полупроводниковых светоизлучающих диодов
Физической основой полупроводниковых излучателей является инжекционная электролюминесценция. Под люминесценцией понимают в широком смысле, электромагнитное нетепловое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. В данном определении подчеркивается отличие люминесценции от свечения нагретых тел. Люминесценции свойственно то, что она продолжается еще некоторое время после отключения источника возбуждения. Если это время больше 10-3 с, то люминесценция называется фосфоренцией, а если меньше чем 10-3 с, то это флюоресценция.
Люминесценция в полупроводниках включает в себя два основных этапа. На первом этапе под воздействием возбуждающей энергии происходит генерация носителей заряда. Этот этап определяет тип люминесценции (фото- электро-, и т.д.). На втором этапе генерированные носители заряда рекомбинируют, выделяя энергию в виде оптического излучения.
Каждая рекомбинация носителя заряда при прямых оптических переходах зона-зона сопровождается излучением фотона, длина волны которого определяется соотношением: =hc/Eg 1,24/Eg , (8.1)
где - в микрометрах, а Eg - в электрон-вольтах.
В полупроводниках процесс инжекционной электролюминесценции происходит следующим образом. При наличии контакта однородных полупроводников с различными типами электропроводности уровень Ферми в равновесном состоянии должен быть единым. Это приводит к искривлению зон и образованию потенциального барьера как это показано на рис.8.1.
|
Рис.8.1.Схема p-n-перехода в невырож-денном полупровод-нике в отсутствии инжекции |
Дырки из р-слоя, где их много, диффундируют справа налево в область перехода, но не могут преодолеть потенциальный барьер, и, проникнув в переход, снова возвращаются в р-слой, а дырки n-слоя, легко переходят в р-слой, образуя дрейфовый ток. Этот поток уравновешивается встречным диффузионным потоком дырок р-слоя, имеющих большую энергию и способных преодолеть потенциальный барьер. Аналогичная картина наблюдается и в движении электронов.
|
Рис. 8.2. Схема p-n-перехода в невырожденном полупроводнике при наличии инжекции
|
При приложении прямого напряжения в p-n-переход потенциальный барьер понижается, и появляются дополнительные диффузионные токи как дырок, так и электронов, т.е. увеличивается инжекция неосновных носителей: дырок в n-область, электронов в р-область (рис.8.2). Это увеличивает рекомбинацию носителей с излучением фотона.
Полезной компонентой тока, обеспечивающей излучательную рекомбинацию в р-базе, является электронный ток In, инжектируемый эмиттером. Эффективность инжекции определяется отношением In к полному току I и характеризуется коэффициентом инжекции :
=In/I=In/(In+Ip+Iрек+Iтун+Iпов), (8.2)
где Ip- дырочная составляющая тока, обусловленная инжекцией дырок в n-эмиттер; Iрек - ток безызлучательной рекомбинации в области р-n -перехода; Iтун - туннельный ток, обусловленный «просачиванием» носителей сквозь потенциальный барьер; Iпов - ток утечки по поверхности р-n -перехода.